JP2002073703A - 車両の振動解析方法および振動解析プログラムを記録した媒体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 各種構造の車両について机上での効果的な振
動解析を行う。 【解決手段】 実走行において車両の各所における振動
を測定する（Ｓ１）。この測定データおよび車両の構造
からＦＥＭモデルを作成するが、この際実稼働モード解
析により得られた伝達特性を利用して、ＦＥＭモデルを
修正し、実走行状態を表現するＦＥＭモデルを作成する
（Ｓ２）。また、振動と、実稼働モード解析における伝
達特性と、ＦＥＭモデルで得られる質量を用いて、外力
の絶対値を算出する（Ｓ３）。そして、ＦＥＭモデルに
ついて改善を行い、改善したＦＥＭモデルの振動解析を
行い評価する（Ｓ４）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両の走行時にお
ける振動（騒音を含む）を解析する車両の振動解析方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、車両は、その走行時におい
て、路面の凹凸やエンジンの駆動などに起因して振動や
騒音（以下、単に振動という）を発生する。この振動は
乗り心地に影響するため、これをなるべく抑制したいと
いう要求がある。そこで、車両の走行時において、サス
ペンションの特性を制御して、振動を抑制することも提
案されている。

【０００３】例えば、特開平７−６１２２１号公報にお
いては、上下方向Ｇ（加速度）センサから上下方向加速
度信号を検出し、この加速度信号の値が減少する方向に
車両のサスペンション特性をフィードバック制御する装
置が示されている。特に、この装置では、検出した上下
方向加速度信号を周波数分析し、分析結果からこの車両
の固有振動数を判定し、判定された固有振動数に基づい
て、フィードバック制御の制御特性を変更する。これに
よって、正確な振動抑制のための制御を行うことができ
る。

【０００４】一方、車両の設計の段階でも、なるべく振
動を抑制した車両の設計が望まれる。そこで、各種の車
両の実走行時の振動解析に基づいてモデルを作成し、そ
のモデルを用いた振動の検討が行われている。この検討
が正しく行えれば、この検討結果に基づいて振動を抑制
できる車両の設計が行える。

【０００５】従来の検討は、例えば、次の３ステップか
ら行っている。

【０００６】（ａ）実走行振動モードの調査 まず、車両の実走行時において、複数の加速度計により
サスペンションおよびボデーの振動を複数の点で同時計
測する。また、計測データを記録装置で記録し、フーリ
エ変換により周波数領域のデータに変換する。

【０００７】次に、車両評価位置の振動あるいは騒音が
大きい周波数において、計測データから車両の各部の振
動の様子を調べる。なお、この車両各部の振動する様子
を振動モードと呼ぶ。

【０００８】（ｂ）入力の決定 有限要素法によるＦＥＭモデル等の実車の振動状態をそ
の形状に則して表現する数値モデルを作成する。そし
て、この数値モデルの車軸に相当する点に対する複数の
外力を試行錯誤で入力し、上記振動モードに対応する外
力を決定する。ここで、この外力の大きさは不定であ
り、複数の外力間の比率は車両各部の振動の比率が計測
データとほぼ対応するように設定される。また、数値モ
デルは、実車の静止状態における振動特性をシミュレー
トするように実験検証されたものである。

【０００９】（ｃ）振動の改善の検討 車両の評価位置での振動が大きい周波数において、ＦＥ
Ｍモデルに加えた外力に対する強制振動モードから変形
の大きい部位を抽出して、その変形を抑制する補強案を
算出する。次に、補強をＦＥＭモデルに施してその補強
の効果を補強前の振動との比較により、有効性を調査す
る。所定の効果があれば、実車に組み込み効果を確認す
る。

【００１０】このような手法により、数値モデルを利用
して振動の評価および改善の評価が行え、これを利用し
て振動を抑制した車両の設計を行うことができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の手法では、
次のような問題があった。

【００１２】（ａ）相対評価 従来の手法では、複数の外力の大きさは、不定であり、
複数の外力の比率のみを計測データに対応するものとし
ている。このため、数値モデルによる効果予測が補強前
後の相対評価となってしまう。従って、最終的な効果は
実車評価が必要であり、従ってモデルによる評価に基づ
いて設計の机上検討を進めていくことができなかった。

【００１３】（ｂ）外力の普遍性がない 路面変位により励起される車軸振動は、タイヤが浮き上
がらない程度に路面変化が小さい場合、タイヤにだけ依
存する。従って、タイヤを変更しない検討では、一度評
価用の路面を、検討するタイヤで走行し外力を算出して
おけば、その後の机上検討に使用することができるはず
である。

【００１４】しかし、従来の手法では、外力を決定する
際に、静止状態の数値モデルを利用している。このた
め、数値モデルにおいて、実走行の振動を励起するとし
て決定された外力は、車両の実走行特性と静止状態特性
の差の部分を取り込んだ形の外力となっている。従っ
て、サスペンションなどの構成部品が静止状態と実走行
とで大きく変化した場合には、数値モデルにおいて使用
する外力を構成部品の変更に対応して変更する必要があ
る。そこで、計算検討を進めるために必要な外力は、構
造変更後の机上検討では利用できないことになってい
た。

【００１５】本発明は、上記課題に鑑みなされたもの
で、各種構造の車両について机上での効果的な振動解析
を行うことを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、車両の外力設
定部に対する車両の所定部位における振動を求める工程
と、求められた振動と、車両各部の構造とから車両各部
における伝達特性を解析し、車両の実走行状態を表現す
る数値モデルを作成する工程と、前記求められた振動と
前記伝達特性とに基づいて、数値モデルの外力設定部に
おける外力を求める工程と、求められた数値モデルと、
外力を利用して、各種の条件における車両の振動解析を
行う工程と、を有する。

【００１７】このように本発明では、外力を求めてい
る。この外力は、車両の所定部位が求められた振動とな
るために車両に与えられる力であり、この外力を異なっ
た数値モデルに与えることで同一外的条件におけるその
モデルの振動解析が行える。

【００１８】また、外力設定部は車両の車輪中心部であ
り、前記振動の測定は車両を所定の路面状況の下で走行
させて検出することが好適である。これによって、この
外力によって、タイヤが同じであれば同一の路面状態の
実走行についてのシミュレーションを各種モデルについ
て行える。

【００１９】また、前記数値モデルは有限要素法による
ＦＥＭモデルであり、前記伝達特性は実稼働モード解析
を利用して修正することが好適である。

【００２０】また、前記振動解析は、路面からのノイズ
を評価することが好適である。

【００２１】また、前記振動解析結果に基づいて、前記
数値モデルに修正を加え、修正を加えた数値モデルにつ
いて振動解析を行うことが好適である。

【００２２】また、このような振動解析は、コンピュー
タによって達成される。本発明の一態様は、コンピュー
タにこの振動解析を行わせるプログラムを記録した媒体
にある。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（以下
実施形態という）について、図面に基づいて説明する。

【００２４】本実施形態では、図１に示すように、次の
４つのステップにより、車両の振動改善のための設計を
行う。

【００２５】（Ｓ１）実走行振動計測 従来の検討と同様にして、車両実走行の実験を行い、そ
の実走行時において、車両の各部において、加速度計に
おける振動を計測し、これを周波数解析して車両の振動
モードを検出する。なお、この加速度計による測定は、
所定の基準となる計測点（基準点）における測定とその
他の計測点における測定の両方を含む。これによって、
実走行によって、基準点に設定する外力に応じた車両各
部の振動が各加速度計によって計測される。なお、基準
点は、タイヤが取り付けられるハブの中心（車輪中心
部：スピンドル）に設定される。

【００２６】また、外力を精度よく算出するために、評
価対象周波数域までの振動モードを表現できるように、
計測点を選定する。すなわち、周波数域により、大きく
振動する箇所は異なる。そこで、これを考慮して、必要
なすべての点に加速度計を取り付ける。

【００２７】図２に実走行のイメージを示す。この車両
の各所に加速度計が取り付けれらている。

【００２８】（Ｓ２）実走行状態を表現する数値モデル
の作成 次に、改善検討に必要な実稼働状態の振動特性をシミュ
レートする有限要素法による数値モデル（ＦＥＭモデ
ル）を作成する。

【００２９】ＦＥＭモデルは、車両の製作図面からの各
種寸法、部材の性状、および各種実験における特性値の
同定から求められる。ＦＥＭモデルの作成自体は従来と
同様であり、ここでは説明を省略する。

【００３０】そして、このＦＥＭモデルの質量行列情報
［Ｍ］を抽出し、これを用いて固有質量「ｍ」の大きさ
を決定する。これによって、車両の各部の固有質量が求
められる。

【００３１】図３に、ＦＥＭモデルのイメージが示され
ている。このような車両構造が数値モデルとして構築さ
れる。

【００３２】また、実走行振動計測データを基に、実稼
働モード解析（Operational ModalAnalysis）を行い、
実験モデル（実験モーダルモデルと呼ぶ）を作成する。
実稼働モード解析とは、実走行の計測振動データから振
動系の有する振動特性を表す固有質量「ｍ」、固有剛性
「ｋ」、固有モード［φ］、固有減衰「ｃ」を抽出する
手法であり、例えば「Jeroen Deweer et. al. "Industr
ial Applicability ofModal Analysis on Operating Da
ta" SAE '99 pp1027-1035 1999-01-1783」等の文献に示
されている。

【００３３】図４に実験モーダルモデルのイメージを示
す。このように、実験モーダルモデルは、車両を振動系
として表現したものである。

【００３４】この実稼働モード解析（ＯＭＡ）によっ
て、車両の固有質量「ｍ」、固有剛性「ｋ」、固有モー
ド［φ］、固有減衰「ｃ」が求まる。なお、固有周波数
は、固有質量「ｍ」と固有剛性「ｋ」の比である。

【００３５】次に、ＯＭＡで求められた固有剛性
「ｋ」、固有減衰「ｃ」、固有モード「φ」を参照し
て、ＦＥＭモデルの剛性［Ｋ］、減衰［Ｃ］を修正す
る。ここで行う具体的な修正は、アブソーバおよびサス
ペンションブッシュの動的な特性など、非金属部品ある
いは摩擦を含んだ部品を主な対象として行う。このよう
な修正を経て、実走行状態を表現するＦＥＭモデルが完
成する。

【００３６】このＦＥＭモデルは、車両の実走行時にお
ける挙動を表現する数値モデルであり、基準点への各種
の外力の入力によって、車両各部の振動を模擬できる。
そして、実走行と外力の入力によって同一の挙動を示
す。

【００３７】（Ｓ３）絶対外力の算出 次に、ＯＭＡとＦＥＭモデルとからモーダル座標系
｛ξ｝の運動方程式に基づいて、基準点に発生する（路
面からタイヤを介し印加される）外力を算出する。な
お、外力は、図４において、矢印で示してある。

【００３８】車両の振動は、振動系の伝達特性と外力の
積で表すことができるから、未知の外力は、ステップ
（ａ）の車両振動計測結果と、ステップ（ｂ）の振動系
の伝達特性から絶対値として算出できる。ここで、伝達
特性は、振動系の固有質量「ｍ」、固有剛性「ｋ」、固
有モード「φ」、固有減衰「ｃ」で表現される。

【００３９】すなわち、モーダル座標系での運動方程式
は、ωを角周波数として、（−ω²「ｍ」＋ｊω「ｃ」
＋「ｋ」）｛ξ｝＝［φ］^T｛Ｆ｝で表され、これを車
両の振動｛Ｘ｝を表す式に変換すると、 ｛Ｘ｝＝［φ］｛ξ｝ ＝［φ］（−ω²「ｍ」＋ｊω「ｃ」＋「ｋ」）［φ］^T｛Ｆ｝ ＝［Ｇ］｛Ｆ｝ となる。

【００４０】従って、この式から絶対外力は、 ｛Ｆ｝＝（［Ｇ］^T［Ｇ］）^-1［Ｇ］^T｛Ｘ｝ で求まる。

【００４１】ここで、本実施形態では、この外力｛Ｆ｝
を車両の基準点であるホイール軸（スピンドル）に対す
る力（絶対値）として求められる。従って、タイヤを変
更しない検討では、実走行による計測データを各種の設
計変更に利用することができる。

【００４２】（Ｓ４）振動改善の検討 この振動改善の検討は、従来と同様に、車両の評価位置
での振動が大きい周波数において、ＦＥＭモデルに加え
た外力に対する強制振動モードから変形の大きい部位を
抽出して、その変形を抑制する補強案を算出する。次
に、ＦＥＭモデルに補強を施して補強前の振動との比較
により、補強の有効性を調査する。所定の効果があれ
ば、実車に組み込み効果を確認する。

【００４３】このように、本実施形態の方法では、外力
を絶対値として求めている。従って、振動対策としての
補強などを施した場合に、その補強を施したＦＥＭモデ
ルに求められている外力を入力することで、補強を施し
た状態での走行した場合における各部の振動を絶対値と
して得ることができる。

【００４４】また、本実施形態においては、外力は、路
面を介しタイヤから伝わってくる力であり、車両側の挙
動の影響は除去されている。従って、各種路面における
外力を算出しておくことで、その算出した外力の入力に
より各種路面を走行した場合における車両の振動特性を
シミュレーションできる。

【００４５】また、最終的に得られたＦＥＭモデルは、
実走行時におけるサスペンション、ボデーの車両構造を
表したものとなっており、外力は実走行状態と静止状態
の補正のための成分を有していない。従って、振動対策
としての補強などのＦＥＭモデルに施した場合において
も、外力を変更することなく、各部の振動についてのシ
ミュレーションが行える。従って、机上において、各種
の補強についてのシミュレーションによる検討が可能と
なる。

【００４６】このような本実施形態の振動解析は、実車
走行によって得た加速度計の出力またはその周波数解析
データをコンピュータに取り込み、コンピュータで各種
プログラムを実行することによって行われる。

【００４７】すなわち、まず車両各部の周波数解析デー
タおよび車両の各部の構造などのデータを入力する。次
に、所定のプログラムを利用してデータを加工し、ＦＥ
モデルを作成するとともに、ＯＭＡにより固有質量、固
有減衰、固有剛性、固有モードなどの算出し、このＯＭ
Ａにより求めた各種の伝達特性により、ＦＥＭモデルを
修正する。また、得られたＦＥＭモデルから各部の固有
質量をもとめ、固有質量、固有減衰、固有剛性、固有モ
ードを利用して、車両の車輪中心に対する外力を算出す
る。そして、ＦＥＭモデルについての修正を受付、修正
されたＦＥＭモデルにより、前記外力に対する振動解析
を行い、結果を出力する。

【００４８】これによって、机上で加えられたＦＥＭモ
デルへの修正に応じた振動解析を行うことができ、その
結果を車両の設計に反映させることができる。

【００４９】従って、本発明の振動解析結果を振動防止
のための車両の設計に利用できる。また、このようなプ
ログラムを搭載したコンピュータを振動解析装置として
利用することができる。さらに、このプログラムは、Ｃ
ＤＲＯＭなど各種記憶媒体に格納した状態で提供するこ
とができ、また通信で通信回線に接続されているコンピ
ュータにロードすることもできる。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
外力を求めている。この外力は、車両の所定部位が求め
られた振動となるために車両に与えられる力であり、こ
の外力を異なった数値モデルに与えることで同一外的条
件におけるそのモデルの振動解析が行える。

【００５１】また、外力設定部は車両の車輪中心部であ
り、前記振動の測定は車両を所定の路面状況の下で走行
させて検出することで、この外力によって、タイヤが同
じであれば同一の路面状態の実走行についてのシミュレ
ーションを各種モデルについて行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】 処理の動作を説明するフローチャートであ
る。

【図２】 実走行のイメージを示す図である。

【図３】 ＦＥＭモデルのイメージを示す図である。

【図４】 実験モーダルモデルのイメージを示す図であ
る。

フロントページの続き (72)発明者 城戸 一郎 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 2G064 AA14 AB02 AB15 BA02 CC41 5B046 AA04 JA07

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 車両の外力設定部に対する車両の所定部
   位における振動を求める工程と、 求められた振動と、車両各部の構造とから車両各部にお
   ける伝達特性を解析し、車両の実走行状態を表現する数
   値モデルを作成する工程と、 前記求められた振動と前記伝達特性とに基づいて、数値
   モデルの外力設定部における外力を求める工程と、 求められた数値モデルと、外力を利用して、各種の条件
   における車両の振動解析を行う工程と、 を有する車両の振動解析方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の方法において、 外力設定部は車両の車輪中心部であり、 前記振動の測定は車両を所定の路面状況の下で走行させ
   て検出する車両の振動解析方法。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の方法において、 前記数値モデルは有限要素法によるＦＥＭモデルであ
   り、前記伝達特性は実稼働モード解析を利用して修正す
   る車両の振動解析方法。
4. 【請求項４】 請求項２または３に記載の方法におい
   て、 前記振動解析は、路面からのノイズを評価する車両の振
   動解析方法。
5. 【請求項５】 請求項２〜４に記載の方法において、 前記振動解析結果に基づいて、前記数値モデルに修正を
   加え、修正を加えた数値モデルについて振動解析を行う
   車両の振動解析方法。
6. 【請求項６】 コンピュータに振動解析を行わせる振動
   解析プログラムを記録した媒体であって、 当該振動解析プログラムによりコンピュータが、 車両の外力設定部に対する車両の所定部位における振動
   を求めたデータを取り入れ、 入力データと、車両各部の構造についてのデータとから
   車両各部における伝達特性を解析し、車両の実走行状態
   を表現する数値モデルを作成し、 前記求められた振動と前記伝達特性とに基づいて、数値
   モデルの外力設定部における外力を求め、 求められた数値モデルと、外力を利用して、各種の条件
   における車両の振動解析を行う振動解析プログラムを記
   録した媒体。